量子物理的重要应用，计算速度呈指数倍增长，量子计算机是什么？

量子不是具体的物质，而是物质最小单位的统称，在这个“万物皆可量子”的时代，相信很多人都听说过量子计算机，量子计算机给人最直观的感受就是“快”，那么量子计算机到底是什么？而它又为什么能进行那么快的计算？

量子计算机与传统计算机

量子计算机是一种基于量子物理学原理来实现计算的新型计算机，简单来说，量子计算机的硬件电路是量子电路，运行算法是量子算法，量子计算机利用制备和控制量子比特来模拟和存储信息。

传统计算机的硬件电路是数字电路，数字电路上有许多逻辑门，如与门、或门、非门等，逻辑门由晶体管组成。高低电平通过逻辑门后产生高电平或低电平的信号，产生的高或低的信号相当于二进制中的1或0，比特就是表示1或0的电脉冲或光脉冲流。

传统计算机利用二进制（0或1）来储存信息，手机电脑上的所有视频、音乐都是一个由二进制数字组成的长串。数字电路系统进行信号处理，信号只有0和1两个状态，所以它的抗干扰能力很强。

量子计算机的量子电路由量子门作为基础单元，量子门类似于逻辑门，输入态可以转化为输出态。量子门是可逆的，即可由输出推出输入，但是逻辑门不一定可逆，如与门输出为0，输入既可是1和0，也可是0和0。

量子比特是量子门的操作对象，量子比特的物理载体通常是亚原子粒子，如光子。量子计算机存储信息使用的是量子比特，在同一时刻一个量子比特可以同时表示0和1，量子比特可以是一种中间态。

量子计算机的强大

量子计算机的基本结构与传统计算机相似，都有控制系统、软件系统、芯片、程序和显示器这几大块，但是量子计算机的计算能力却远远高于传统计算机，是因为两者的计算方式不同，量子比特的叠加性和纠缠性赋予了量子计算机强大的计算能力。

在传统计算机中，一比特只能是一个确定的数，即0或1，而量子比特是不确定的，一量子比特既可以是0，也可以是1，还可以是0和1的叠加态。量子比特不是一个具体的数，而是一个概率，代表所有可能出现数据的出现概率。

正是量子比特具有叠加态的特性，使得量子计算机能够实现并行运算。例如两比特的传统计算机一次只能处理00、01、10和11中的一个，全部处理完需要操作4次，而两量子比特的量子计算机一次性就可以解决。

每增加一个量子比特，量子计算机的计算能力就呈2的指数倍增长。传统计算机需要通过增加多核心来提升计算能力，10个量子比特的量子计算机一次性就可以处理210个信息，这个计算速度是传统计算机所不能比拟的。

如果一个量子比特的状态发生改变，与它发生纠缠的另一个量子比特的状态也会发生相应的改变，并且距离不会影响这种改变。量子纠缠让空间独立的量子之间实现状态共享，能够产生超级叠加，进一步加强计算能力。

量子计算机的应用

“九章”是我国在2020年创建的一台具有76个光子的量子计算机，当时超级计算机要花6亿年计算的问题它只用花200秒就可以解决，计算速度是超级计算机计算速度的100万亿倍，实现了计算速度的碾压。

无论是材料科学还是生物医疗，都需要对物质的微观结构进行精准预测，这会产生大量的计算量，量子计算机可以很好地解决这些问题。在量子计算机上可进行大量快速的动态模拟，减少材料和药物的开发时间。

信息加密方式也会因量子计算机而改变，传统加密方式利用的是公钥和私钥，这种加密方式容易被破解，但是量子计算机由于具有天然的不确定性，可以确保通信双方在不被窃听的情况下进行通讯。

虽然量子计算机拥有传统计算机所没有的巨大优势，但是量子计算机也有缺点。量子比特保持量子态很难，极易受到环境影响而使得量子行为衰减甚至消失，所以量子计算机比传统计算机更容易出错。

未来，即使实现通用量子计算机的普及，传统计算机也不会被量子计算机完全取代，对于简单问题的计算，量子计算机不如传统计算机稳定，量子计算机将会被更多的用于复杂的量子物理计算。